全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 43 卷 第 11 期 2012 年 11 月

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基于 PubChem 数据库的天然产物快速寻靶方法
刘海波 1，彭 勇 1*，黄璐琦 2*，肖培根 1
1. 中国医学科学院 药用植物研究所，北京 100193
2. 中国中医科学院 中药研究所，北京 100700
摘 要：提出了一种利用 PubChem 数据库的数据资源，为天然产物寻找可能靶点的方法。以山莨菪碱为例进行了演示，发
现了山莨菪碱 35 个潜在的作用靶标，这些靶标解释了山莨菪碱已知的各种药理活性，并给出了具有指导意义的新信息。该
寻靶方法快速、便捷、经济，不需要高性能计算支持，结果相对准确，是一种适合中药化学和植物化学领域的研究人员使用
的天然产物生物活性预测和寻靶方法。
关键词：天然产物；PubChem 数据库；药物寻靶法；山莨菪碱；作用靶标
中图分类号：R285.51 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2012)11 - 2099 - 08
A rapid targeting method of natural products based on PubChem database
LIU Hai-bo1, PENG Yong1, HUANG Lu-qi2, XIAO Pei-gen1
1. Institute of Medicinal Plant Development, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100193, China
2. Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China
Abstract: To provide a new targeting method of natural products based on PubChem database with anisodamine as an example. Totally
35 potential targets, which give the explanation for the pharmacological activities of anisodamine, are found. Moreover, some new
guided information is indicated. The targeting method is rapid, convenient, and free, and could provide a relatively accurate result
without the support of high-performance computing. This method is easy to conduct for the researchers in chemistry of Chinese
materia medica (CMM) and phytochemistry to predict the pharmacological activities of natural products and their acted targets,
therefore it is a very promising method in CMM research.
Key words: natural products; PubChem database; targeting method; anisodamine; acted targets

随着 HPLC 等大型分析仪器的普及和 GC-MS、
LC-MS、CE-MS 等色谱联用技术的推广，大量新天
然产物被分离出来。通过构建天然产物实体库，配
合高通量、高内涵筛选技术，可以实现批量药物的
药理活性测定。但是，尚缺乏有效的手段从化合物
分子结构快速、廉价地预测药理活性。在植物化学
和中药化学领域，新发现的天然产物通常得到纯品
的量较少，经结构鉴定之后，可供药理学研究的量
非常有限。因此，预测天然产物可能的药理活性，
指导药理实验的方向，减少盲目性，具有重要的现
实意义。
近些年来，基于计算机辅助药物设计和化学
信息学的虚拟筛选方法逐渐被引入到中药研究中
来[1-5]。其中，尤以分子对接方法和药效团方法应用
最为广泛，研究对象包括天然产物、单味药和方剂，
并取得了很多具有指导意义的成果[6-7]。但是，此类
虚拟筛选方法仍存在一些不足：1）主要利用的是天
然产物和受体的结构信息，对已有的生物活性信息
利用不充分；2）普遍存在计算量与精确度之间的矛
盾，即随着对精确度要求的提高，所需的计算量也
大幅度提高；3）需要购买或者学习专门的化学软件，
并配备高性能计算平台。这些因素阻碍了虚拟筛选
方法在中药领域的推广。
针对这一情况，本文提供了一种基于 PubChem
网络数据库的天然产物寻靶方法，该方法不需要高
性能计算平台的支持，对使用者没有知识背景和软

收稿日期：2012-01-22
基金项目：国家自然科学基金面上项目“罂粟科白屈菜族植物生物活性和毒性研究”（81072995）
作者简介：刘海波（1977—），男，副研究员，主要研究方向为化学信息学、中药信息学。Tel: (010)57833165 E-mail: hbliu@implad.ac.cn
*通讯作者 彭 勇 Tel: (010)57833151 E-mail: ypeng@implad.ac.cn
黄璐琦 Tel: (010)64014411-2955 E-mail: huangluqi@263. net
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件学习的要求，寻靶速度快，在几个小时内即可得
到一批具有参考价值的靶标信息，更适合一般中药
研究者使用。
1 数据源
PubChem 是由美国国家健康研究院（US
National Institutes of Health，NIH）支持，基于美国
国家生物技术信息中心生物信息平台的一个开放数
据库项目[8-11]。该数据库于 2004 年 9 月启动，旨在
促进小分子数据资源的公共利用[12-13]。PubChem 数
据库包括 3 个子数据库：PubChem Substance 用于存
储机构和个人上传的化合物原始数据，现有数据
8.7×106 条；PubChem Compound 库用于存储整理
后的化合物化学结构信息，现有化学结构 3×107；
PubChem BioAssay 库用于存储生化实验数据，目前
有生化实验超过 5.8×105 项，实验数据主要来自高
通量筛选实验和科技文献。3 个数据库彼此联系，
可以互相访问，并与 NIH 下属的其他蛋白、核酸、
基因、文献等数据库相链接，帮助用户快速获取相
关信息。
PubChem 数据库存储了大量小分子化合物的
结构和生化实验数据，且所有数据均可免费使用，
因此是一个巨大的数据资源。基于 PubChem 的数据
挖掘和新药开发研究已经开展起来[14-17]。如何利用
这些数据为中药研究服务，还未见报道。
2 方法与结果
2.1 研究对象
本文以山莨菪碱（anisodamine）为例，演示如
何利用 PubChem 寻找天然产物可能的作用靶标。莨
菪烷类生物碱（tropane alkaloids）是一类具有高生
物活性的生物碱，主要分布于茄科（Solanaceae）、
古 柯 科 （ Erythroxylaceae ） 以 及 旋 花 科
（Convolvulaceae）植物中。山莨菪碱是从茄科植物
山莨菪 [唐古特莨菪，Anisodus tanguticus (Maxim.)
Pascher] 中提取的一种生物碱，是重要的 M 型乙酰
胆碱受体抑制剂。山莨菪碱的已知活性包括抑制平
滑肌收缩、抑制血小板的聚集及血栓的形成；抗氧
化、清除自由基；调节血管张力；改善局部血液循
环；类肾上腺皮质激素样作用；改善心功能和抗心
律失常；钙拮抗作用。山莨菪碱的脂溶性较差，不
易透过血脑屏障，中枢作用很弱，外周作用突出[18]。
PubChem 中没有收录该化合物的生物活性，因此，
使用该化合物作为测试分子，将寻靶的结果与现有
报道相比较，验证 PubChem 寻靶的准确性。
2.2 结构检索
登陆 PubChem 主页（http://pubchem.ncbi.nlm.
nih.gov），该页面提供 BioAssay、Compound、
Substance 3 个数据库的关键词检索入口，另外还有
Chemical structure search和BioActivity Analysis 2个
链接。从 Chemical structure search 进入结构检索界
面。PubChem 结构检索提供 5 类检索方式，分别是：
名称/文本（Name / Text）、确定/相似性（Identity /
Similarity ）、 子 结 构 / 超 结 构 （ Substructure /
Superstructure）、分子式（Moleculer Formula）、3D
构象（3D conformer）。此外还提供对检索条件的保
存和调用功能。
笔者使用相似性检索进行寻靶研究。从 Identity /
Similarity 进入检索界面（图 1），检索条件的设置分
3 个步骤。首先，输入提问结构，方法有 3 种：（1）
通过调用 PubChem Editor 在线编辑提问结构；（2）
使用提问结构的 SMILES 编码、InChI 码，或者化
合物在 PubChem 的编号 CID 进行检索；（3）上传
提问结构的结构文件，文件格式为 mol 或 sdf 文
件。这里通过上传 mol 文件输入提问结构。之后，
展开 Options 菜单，设定检索选项，对于相似性检
索，需要设定相似度阈值、检索时间限制和结果数
量限制。这里设定相似度大于等于 90%，时间和结
果数量均为默认值。最后，展开 Filters 菜单，设定
过滤器，该功能用于设定在一个化合物子集中进行
检索，而不是对 PubChem 全部数据进行检索，也可
以在检索结果过多时，对结果进行筛选使用，此次
检索不使用过滤器。
以山莨菪碱为提问结构进行相似性检索，相似
度设为 90%，命中 612 个化合物。检索结构浏览界
面（图 2）中，每条命中的化合物记录分别由缩略
图、名称/别名、相对分子质量、分子式、BioAssay
信息、CID 号码等信息构成。用户可以点击每个化
合物的名称或者缩略图查看详细信息。需要说明的
是，检索结果中存在数据冗余的问题，有同物异号、
同名异物等情况发生。这主要由于 PubChem 数据来
源比较复杂，不同来源的化合物格式不统一，虽然
在由Substance数据库向Compound数据库转换的过
程中进行了统一化操作，但是并没有完全消除这方
面的问题。在 90%相似度水平上命中的 612 个化合
物，都具有莨菪碱的核心结构，与山莨菪碱的结构
差异主要表现在 3 个方面：1）某些原子的手性差异；
2）托品烷和苯环上不同位置取代基的差异；3）被
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图 1 PubChem 结构检索界面
Fig. 1 Interface of PubChem structure searching

图 2 PubChem 检索结果
Fig. 2 PubChem searching results
命中的结构是季铵盐时，阴离子结构的差异。
2.3 BioAssay 分析
在结果界面的右侧，有 1 个“Refine your
results”功能区，从 4 个方面给出了对检索结构的
统计结果，分别是化学性质（Chemical Properties）、
生物活性实验（Bioactivity Experiments）、生物医药
信息（Biomedical Annotation）、数据来源（Depositor
Category）。此次检索使用 Bioactivity Experiments
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中的 BioAssays，Active 查看与山莨菪碱结构相似的
化合物所具有的生物活性。从图 2 可以看到，在命
中的 612 个化合物中，共有 51 个化合物已报道具有
某些生物活性。点击该链接后，结果显示页面中，
化合物的数量由 612 个减少到 51 个。
下一步，在结果界面的右侧，找到“Actions on
your results”功能区，该区域提供了 4 个对结果集
进行操作的选项：生物活性分析（Bioactivity
Analysis）、结构聚类（Structure Clustering）、结构
下 载 （ Structure Download ）、 代 谢 通 路 分 析
（Pathways）。本文主要使用 Bioactivity Analysis 功
能。该功能可用于对检索到的化合物集合进行生物
活性方面的统计分析，所有计算工作在 BioAssay
服务器上完成，统计结果返回给用户客户端。
Bioactivity Analysis 分 3 种 形 式 ： 概 要
（Summary）、数据表（Data Table）、构效关系
（ Structure-Activity ）。 在 概 要 形 式 下 ， 共 有
BioAssays、Targets、Compounds 3 种汇总统计表。
在 BioAssay 表中，以生化实验为基本记录，提供了
每种实验中发现活性化合物的数量、实验内容简介
和相关靶标等信息。在 Targets 表中，以靶标为基本
记录，汇总了作用于每种靶标的活性化合物数量（图
3）。Compounds 页面中，以化合物为基本记录，给
出了每种化合物发现的生化活性的数量。本研究检
索到的 51 个化合物在 PubChem 中共存储了 1 329
种生化实验数据，涉及 464 种靶标。
在上述 3 种表格中，Targets 表是 PubChem 寻
靶的最终结果。使用页面下端 Download 功能，
PubChem 将 Targets 表生成一个 CSV 文件，并给出
链接，用户通过链接将数据表下载到本地电脑。选
取Active Compounds一项数值大于 0的 35个靶标，
即为寻靶结果（表 1）。Active Compounds 值是与
山莨菪碱相似的 51 个化合物中，对该靶点有活性
的化合物数量。表 1 中 Active Compounds 值越高
的靶点是山莨菪碱的真实靶点的可能性越大，应优
先考察。
2.4 结果分析
对寻靶得到的 35 个靶点进行逐个考察，将其对
应的生物活性与山莨菪碱的已知生物活性进行比较
（表 2）。结果显示，二者有高度的匹配性，山莨菪


图 3 生物活性分析——靶点分析
Fig. 3 BioActivity Analysis—targets analysis
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表 1 基于 PubChem 的山莨菪碱寻靶结果
Table 1 Targeting results based on PubChem for anisodamine
蛋白靶标 生物体 活性成分
short transient receptor potential channel 6 小鼠 12
muscarinic acetylcholine receptor M1 大鼠 11
regulator of G-protein signaling 4 isoform 2 人 5
multidrug resistance protein 1 人 4
muscarinic acetylcholine receptor M4 大鼠 3
LANA 人疱疹病毒 8 型 3
prostaglandin E2 receptor EP2 subtype 人 3
histone-lysine N-methyltransferase EHMT2 isoform b 人 2
histone acetyltransferase KAT2A 人 2
probable DNA dC->dU-editing enzyme APOBEC-3A 人 2
14-3-3 protein zeta/delta 人 1
4′-phosphopantetheinyl transferase N/A 1
5-hydroxytryptamine receptor 5A 人 1
apoptotic protease-activating factor 1 isoform c 人 1
cardiac alpha tropomyosin 猪 1
chromobox protein homolog 1 人 1
D (1A) dopamine receptor 人 1
DNA dC->dU-editing enzyme APOBEC-3G 人 1
human 2-oxoglutarate oxygenase Loc390245 人 1
LMP-1 人疱疹病毒 4 型 1
M18 aspartyl aminopeptidase 疟原虫 Plasmodium falciparum 3D7 1
muscarinic acetylcholine receptor M1 人 1
muscarinic acetylcholine receptor M2 人 1
muscarinic acetylcholine receptor M3 人 1
muscarinic acetylcholine receptor M4 人 1
muscarinic acetylcholine receptor M5 人 1
muscarinic receptor 3 N/A 1
phospholipase A2 VRV-PL-VIIIa N/A 1
polyadenylate-binding protein 1 牛 1
potassium voltage-gated channel subfamily KQT member 1 人 1
salicylate synthase MbtI 结核杆菌 Mycobacterium tuberculosis
CDC1551
1
thioredoxin glutathione reductase 曼氏血吸虫 1
troponin C, slow skeletal, and cardiac muscles 人 1
troponin I, cardiac muscle 人 1
troponin T, cardiac muscle isoform 3 人 1

碱的全部已知生物活性均可用寻靶得到的靶点进行
解释。如 M 乙酰胆碱受体的 5 种亚型均被发现是山
莨菪碱的可能靶标，这与目前所掌握的知识相吻合；
山莨菪碱对心脏的作用可以用肌钙蛋白和心肌原肌
球蛋白靶点解释；山莨菪碱的外周血管作用可以用
多巴胺受体、前列腺素受体、5-羟色胺受体等靶点
解释等。通过此方法还发现，若干与细胞周期和基
因表达相关的酶也是山莨菪碱潜在的作用靶标。这
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表 2 寻靶结果与山莨菪碱已知活性的对应关系
Table 2 Comparison on targeting results and reported activities of anisodamine
从 PubChem 寻找到的靶点 靶点对应生物活性 山莨菪碱已知生物活性
muscarinic acetylcholine receptor M1—5 M 乙酰胆碱受体 M 乙酰胆碱受体抑制剂，抑制
平滑肌收缩
troponin C, slow skeletal, and cardiac muscles
troponin I, cardiac muscle
troponin T, cardiac muscle isoform 3
肌钙蛋白，调节心肌收缩
cardiac alpha tropomyosin 心肌原肌球蛋白，调节心肌收缩
改善心功能和抗心律失常
D (1A) dopamine receptor 多巴胺受体，影响外周血管收缩和扩张
prostaglandin E2 receptor EP2 subtype 前列腺素 E2 受体，血管扩张、松弛平
滑肌
改善局部血液循环，血管张力
调节剂，抑制平滑肌收缩
5-hydroxytryptamine receptor 5A 5-羟色胺受体，胃肠道和支气管的平滑
肌收缩、血管收缩和舒张、血小板聚
集，其激动剂有抗炎作用，止痛
抑制平滑肌收缩，血管张力调
节剂，类肾上腺皮质激素样
作用
phospholipase A2 VRV-PL-VIIIa 磷脂酶 A2，花生四烯酸代谢通路中的
关键酶
抑制血小板的聚集及血栓的
形成
thioredoxin glutathione reductase 硫氧还蛋白还原酶，硫氧还蛋白可以调
节细胞内氧化还原平衡，修复过氧化
物造成的伤害
抗氧化
short transient receptor potential channel 6 TRPC6，Ca2+和 Na+离子通道 钙拮抗作用
chromobox protein homolog 1
probable DNA dC->dU-editing enzyme APOBEC-
3A DNA dC->dU-editing enzyme APOBEC-3G
14-3-3 protein zeta/delta
apoptotic protease-activating factor 1 isoform c
2-oxoglutarate oxygenase Loc390245
histone-lysine N-methyltransferase EHMT2 isoform
b histone acetyltransferase KAT2A
latency-associated nuclear antigen (LANA-1)
基因表达、细胞周期
LMP-1 抗病毒相关
multidrug resistance protein 1 信号传递
regulator of G-protein signaling 4 isoform 2
4′-phosphopantetheinyl transferase
M18 aspartyl aminopeptidase
polyadenylate-binding protein 1
potassium voltage-gated channel subfamily
KQT member 1
salicylate synthase MbtI
尚不明确
尚无对应活性

些靶点没有已报道的生物活性与之对应，这一发现
为该化合物的研究指出了一个新方向。本文的重点
在方法的介绍，而非对山莨菪碱的寻靶研究，因此
对寻靶结果不再进行深入讨论。以上结果初步验证
了基于 PubChem 数据库的寻靶方法的可行性，说明
该方法可以为中药活性成分研究提供具有指导意义
的信息。
3 讨论
化合物寻靶的虚拟筛选一般分为快速筛选和精
细筛选 2 个阶段进行，在第 1 阶段中，一般采用刚
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性对接或者药效团检索方法，以较低的计算成本在
短时间内划定候选靶标范围；在第 2 阶段中，可以
采用柔性对接甚至动力学模拟等高计算量的方法对
候选靶标逐个进行精细筛查，以提高筛选的精确度。
本文提出的方法属于第 1 阶段的快速寻靶方法。使
用本方法得到候选靶标列表后，有计算条件的实验
室，可以进行第 2 步精细筛选。对于一般的中药化
学和植化研究人员来说，不必再进行第 2 阶段虚拟
筛选工作，可以直接基于候选靶标列表，结合现有
知识、经验判断、药理检验条件、成本等因素，确
定药理筛查的方向。
本文所述寻靶方法的精确性受到算法和数据两
方面因素的影响。在算法方面，本文所述方法的核
心是基于分子结构相似性的药理活性预测，即基于
药物分子与已知蛋白配体小分子之间的结构相似性
的计算结果，预测药物分子是否能作用于该蛋白靶
标。已有研究表明该方法能有效预测药物分子的作
用靶点，建立药物靶点间的联系[19-21]。尽管如此，
由于分子相似性算法很多，算法的选择也是影响预
测准确度的关键因素。最理想的情况是生物活性具
有较高相似度的分子，在结构相似度上也获得比较
高的打分值。然而，目前尚无关于 PubChem 数据库
相似性算法对小分子药理活性预测性能方面的研究
报道。对于 PubChem 的开发人员来说，相似性算法
的检索速度无疑是需要优先考虑的，是否可以预测
生物活性可能会排在其后。因此这一问题需要进一
步研究。
在数据方面，PubChem BioAssay 数据库中的数
据具有多源性，不同来源的数据之间存在质量差异
和系统误差。此外，由于库中大部分数据是由高通
量实验或者从文献中抽取得到的，所以存在实验误
差和数据提取过程中产生的误差。研究人员在使用
过程中应对 Bioassay 数据进行详细分类、筛选和考
证。表 1 所示的寻靶结果，每个靶点的可靠性与
Active Compounds 值 正 相 关 ， 对 于 Active
Compounds 值为 1 的靶点，应仔细考证数据的来源
后再考虑使用。
天然产物和人工设计合成的化合物是新药开发
的两大来源，二者各具优势。天然产物多数具有一
定的生物活性，分子的类药性比较好[22-23]。人工合
成化合物数量多、增长速度快、骨架具有更高的多
样性、药理实验数据丰富。如果能够充分挖掘利用
化学药物领域的数据资源，将其成果引入到中药和
天然药物的研发中来，将对天然产物新药开发和中
药现代化产生巨大的推动作用。而该方法是在此方
面的一个尝试。
进入信息时代以来，科研信息资源对于科学研
究的重要性日益提高。SciFinder、STN、MDL
Crossfire、Derwent 等大型商业数据库在科研领域的
地位不断凸显。在给用户带来丰富的数据资源的同
时，也伴随着高昂的收费。与此同时，国际上也有
一些高性能、高时效性且维护良好的开放网络数据
资源，如 PubChem、PubMed、KEGG、ChemSpider、
ZINC 等。开放网络数据库的利用对突破数据垄断、
扩宽信息渠道、降低科研成本、加速研究进展具有
重要的意义，国内科研单位应给予充分重视。
致谢：PubChem 项目 Bioassay 小组负责人王彦
力博士的热情帮助！
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《中草药》杂志获国家自然科学基金出版基金资助

8 月 17 日，2012 年度国家自然科学基金申请项目评审结果公布，《中草药》杂志喜获重点学术期刊项
目资助。
国家自然科学基金委员会在 2012 年度项目申请集中接收期间共接收各类项目申请 170 792 项，经初步
审查受理 165 651 项。根据《国家自然科学基金条例》、国家自然科学基金相关类型项目管理办法的规定和
专家评审意见，决定资助面上项目、重点项目、优秀青年科学基金项目、青年科学基金项目、地区科学基
金项目、海外及港澳学者合作研究基金项目、国家基础科学人才培养基金项目、重大国际（地区）合作研
究项目、科学仪器基础研究专款项目、国家重大科研仪器设备研制专项自由申请项目、部分联合基金项目
和重点学术期刊项目合计 34 779 项。
《中草药》杂志以“新”——选题新、发表成果创新性强，“快”——编辑出版速度快，“高”——刊
文学术水平和编辑质量高为办刊特色，载文覆盖面广、信息量大、学术水平高，近年屡获大奖，如中国出
版政府奖期刊奖、国家期刊奖、新中国 60 年有影响力的期刊及期刊人、百种中国杰出学术期刊、中国精
品科技期刊等。《中草药》杂志将以此为契机，进一步提高期刊的学术水平，扩大影响力，并带动中草药
杂志社的整体发展，走集团化道路，把中草药杂志社做大做强。同时，将竭力打造中草药英文版——Chinese
Herbal Medicines，积极推进其国际化进程，为中药现代化、国际化做出更大的贡献！